外部匯流排external bus

(1)

台灣師範大學機電科技學系 -1-

微機電系統技術介紹與市場分析微機電系統技術介紹與市場分析

Introduction to MEMS Technology Introduction to MEMS Technology and their Available Industry & Market Analysis and their Available Industry & Market Analysis

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電科技學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University Tel: 02-7734-3506; 0955-052-392

E-mail: ycr@ntnu.edu.tw

綱綱要要

z 微/奈米科技起源與發展

z 微機電系統發展與應用範疇

z 微機電系統產品與應用

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-3-

微/ 微 / 奈米科技起源與發展奈米科技起源與發展

微機電系統、奈米科技

-4-

There

There’ ’s plenty of room at the bottom. s plenty of room at the bottom.

(這下面空間還大得很呢！ ( 這下面空間還大得很呢！) )

1959年物理大師費曼博士(Dr. Richard Feynman)在美國加州理工學院的演講題目

為什麼我們不能將整套24大本的《大英百科全書》，全部內容都抄寫在一根大頭針的針尖上…….

微

微/ /奈米科技觀念的啟發奈米科技觀念的啟發

(1965

(1965年獲得諾貝爾物理獎年獲得諾貝爾物理獎( (量子電動力學量子電動力學) )，被尊稱為微，被尊稱為微/ /奈米科技之父奈米科技之父) )

(2)

-5-

z 中觀領域」：人類生活的主要棲息地包括陸地、大陸棚，既是創造文明、

發展科學技術的主要基地，也是人類研究和開發的第一大知識領域。

這一領域的開發從古代世界的歐亞文明時期開始，一直延續到今天，並向未來發展。

人類的三度智慧空間人類的三度智慧空間

-6-

微衛星 Nanosatellite

z 「宏觀領域」：從20世紀中期開始向太空進軍的行動，是人類開闢新文明的第二大知識戰場，也是人類走向其他星球的第一步。

地球與火星Earth & Mars 人類涉足太空領域是世界知識經濟的開始。世界經濟的內涵擴大，形成資訊化、

智慧化結合的經濟；它的空間擴大，將把宇宙工業化與海洋工業化包括進來;它的範圍擴大，使一部分農牧產品將實行工業化大量生產方式。

精神號、機會號→好奇號

-7-

z 「微觀領域」：指應用微/奈米科技，從物質的分子和原子著手，是物質本質上的改造、性能上的變更、分子和原子結構的重組。

涉及所有人類研究和開發的領域，不同於前兩個領域，也不是簡單的物質合成。

21世紀是人類踏入第三大智慧領域的世紀，是人類開始展開微觀文明的歷史階段。

微米級直升機 ( IMM, Germany) 奈米級直升機 ( Cornell, USA)

-8-

改變世界的三次工業革命改變世界的三次工業革命

z 第一次工業革命(機械化革命)：蒸汽機的發明 – 以機器替代人力…(18世紀中葉)

z 第二次工業革命(電氣化革命) ：電力時代 – 內燃機與發電機取代蒸汽機… (19世紀末期)

z 第三次工業革命(資訊化革命) ：電腦網路時代

– 電子計算機的發明… (20世紀中期)

(3)

z 第四次工業革命：奈米科技的應用

– 不只對電子、資訊工業造成重大衝擊，也對化學、材料、生物和醫學技術做出同樣的貢獻…

諾貝爾獎得主羅雷爾說：

「1970年代重視微米的國家如今都成為發達國家，

現在重視奈米科技的國家很可能成為21世紀先進的國家。」

商業週刊, 780期, 2002

The next big ^{thing is}

very, very, very small ^.

(下一件大事是非常非常小 ( 下一件大事是非常非常小!) !)

-11-

物質尺度描述物質尺度描述

m 1

10

^-3

10

^-6

10

^-9

m μm mm

nm

奈米科技 IC 原子/

分子

微機電領域

10 公分 1 公分 1 毫米 100 微米 10 微米

1 微米 100 奈米 10 奈米 1 奈米

白血球手

DNA

-12-

物質尺度描述物質尺度描述 ( (續續) )

不會吧

！

這麼小的電腦

，連螞蟻都得動用顯微鏡了

！奈米碳管黏著於掃描探針

奈米碳管黏著於掃描探針 Nanotube glued to SPM tip Nanotube glued to SPM tip

http://www.ruf.rice.edu/~smalleyg/image_gallery.htm

微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑…… ……

nanotube

(4)

-13-

奈米碳管原子力顯微術

奈米碳管原子力顯微術(AFM) (AFM)探針探針

H. Dai et al., Nature 384, 147, 1996.

-14-

探針陣列於奈米硬碟之應用探針陣列於奈米硬碟之應用

探針陣列可做平行式掃描，大幅提昇掃描速度，並可應用於大面積加工。

http://www.almaden.ibm.com

-15-

http://www.almaden.ibm.com

探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片

-16-

From macro to nano world through microfluidic system

Microfluidics and Nanofluidics are promising in the next generation.

(5)

人人體內的流體循環系統體內的流體循環系統

長度1.1μm 直徑90~100nm

微絨毛總表面積達300 m

²

(約一個網球場的大小)

若小腸內壁是平滑的，

其總表面積約0.5 m

²

小腸絨毛小腸絨毛三種血管示意圖

三種血管示意圖

外徑10nm 內徑 2nm

7~10 nm

細胞膜細胞膜

Lab-on-a-chip (LOC)

Concept of implantable drug delivery control system

Ref: Applied Energy, 93 (2012) 390-403 http://www.gene-quantification.de/lab-on-chip.html

An integrated microfluidic device can sequence DNA by denaturation

Ref: Lab Chip, 10 (2010) 1153-1159

(植入)

(變性)

-19-

微/ 微 /奈機電系統精度定義奈機電系統精度定義

1. 尺寸精度：微/奈機電系統本身的尺寸在微米/奈米的範圍 2. 運動精度：微/奈機電系統是能達到微米/奈米以內的運動精度

的機械，但機械本身的大小沒有限制

干涉儀及觀測 CCD 掃描範圍：50 mm,

Tip精度：0.2 nm, 絕對精度：1 nm

美國

美國 NIST 分子量測儀 NIST 分子量測儀

-20-

微機電系統發展與應用範疇

(6)

-21-

z 超「輕、薄、短、小」

z 高附加價值

z 符合環保、省能源

z 省空間、省材料等

微機電系統產品的優點微機電系統產品的優點

質譜儀

70 Kg, 30000 cm³, 1200 W Europa Scientific, UK

微質譜儀晶片

0.2 Kg, 3 cm³, 0.5 W DARPA, USA

微機電系統技術

-22-

微機電系統的定義微機電系統的定義

應用微米(μm, 10

^-6

m)或奈米(nm, 10

^-9

m)加工技術研製微細元件及組件，

並整合微電子電路與微控制器，而達到某種功用的系統。

批次製造之微型元件組合

積體化感測器微電子電路

微機械系統微機電系統

(完整積體化系統) 微致動器

微機構 (微小機械元件) 矽基微細加工

•面型微加工

•體型微加工 LIGA技術

•X-ray光刻術

•雷射光刻術

•紫外線光刻術微機械加工

•微放電加工

•微切削加工

•微成型加工

-23-

致動器 actuators

感測器陣列 sensors array

微處理器 microprocessor

輸入/輸出 input/output

輸入/輸出 input/output 內部匯流排

internal bus

外部匯流排 external bus 微系統應用晶片模組

感測訊號

物理 Physical 化學 Chemical 生化 Biochemical

能源 Energy

熱能 Thermal 機械 Mechanical 流體 Fluidic 光學 Optical 電能 Electrical

情報資料

電氣 Electrical 光學 Optical 聲學 Acoustic

致動訊號

消費性電子生化醫療自動化半導體化工通訊與資訊環保與安全紡織

微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖

-24-

整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件

感測器 sensors

致動器 actuators

電子電路 circuits

微結構 microstructure 致動器 actuators

驅動迴路 driver

力感測器 force sensor

電子電路 circuits

雷射偵測器 laser detector

訊息控制迴路

communication

(7)

微觀世界與巨觀世界的差異微觀世界與巨觀世界的差異

浮力的影響表面張力的影響

重力的影響熱傳的影響

微機電系統技術的優點及重要性微機電系統技術的優點及重要性

z 本世代主要核心製造技術 z 批次製造微型元件組合 z 微型多重技術整合 z 多功能與智慧化

z 微小化 z 單位成本低 z 精確度高 z 運作速度快 z 輕柔平順作動

-27-

微機電系統技術的發展背景微機電系統技術的發展背景

z 微機電系統技術起源於1960年代對積體電路的研究

z

發展的理念在於如何將電子電路微小化

z

科技人員改善傳統加工技術及應用半導體製程，試圖將各種機械元件微小化，進而產生微機電系統技術

Miniaturization of Electronic Devices Miniaturization of Electronic Devices

Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor

MOSFET 金屬氧化半導體場效電晶體

-28-

NMOS 當在閘極施以正偏壓時，就會在氧化層下方薄

區內感應出許多電子。當在汲極施加一個正偏壓之後，聚集的電子就可經由源極與汲極之間的電子通道導通。

PMOS

當在閘極(gate)施以負偏壓時，就會在氧化層下方薄區內感應出許多電洞，當在汲極(drain)施加一個負偏壓之後，聚集的電洞就可經由源極 (source)與汲極之間的通道導通。

源極汲極

閘極

(8)

-29-

半導體IC 半導體 IC製造流程製造流程( (微機電製程的基礎微機電製程的基礎) )

-30-

微結構、微元件、微系統微結構、微元件、微系統

( (半導體製程技術半導體製程技術) )

把玩齒輪的螞蟻

(IMT, Germany)

3D Optical Scanner 3D Optical Scanner

((Analog Device Inc., USA)

Micro

Micro- -optical bench optical bench

(UCLA, USA)(UCLA, USA)

-31-

微汽車之組成微汽車之組成

The parts of the microcar

微小汽車微小汽車

(Denso Corporation, Aichi, Japan)

(微機械加工製作技術 ( 微機械加工製作技術) )

-32-

微細加工微細加工 vs. vs. 傳統加工傳統加工

組件在不同地點個別製造，再加以組合

在同一基材上完成結構製作及元件組合

微微/ /奈米級結構適合個別製造再組裝嗎？奈米級結構適合個別製造再組裝嗎？

(9)

微機械加工

微機械加工– –雷射微熔接組裝製程雷射微熔接組裝製程

Source: 雲科大機械系, 郭佳儱

微機電系統名稱分類微機電系統名稱分類

美國：Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) 日本：Micromachines

歐洲：Micro-Systems Technology (MST)

-35- 台灣師範大學機電科技學系

C. R. Yang, NTNU MT

-36-

MEMS applications:

- Optical MEMS (光學應用)

MOEMS: Micro Opto Electro Mechanical Systems MOMS: Micro Opto Mechanical Systems

- Bio MEMS (生化醫學應用)

μTAS：Micro Total Analysis System LOC：Lab. On a Chip

- RF MEMS (無線通訊應用)

(10)

-37-

MEMS Applications for 21

MEMS Applications for 21 ^st ^st Century Century

z Optical MEMS

z Bio-MEMS

z RF MEMS

Comparative scale of semiconductor sensors.

μ-mechanical resonator for Frequency band 1MHz~1GHz

-38-

功能性被動件:

反射鏡

引擎:

梳狀致動器

動力傳輸機構:

連桿, 齒輪

Sandia National Lab., USA

微光學掃描器微光學掃描器

-39-

Digital Mirror Display

Digital Mirror Display (DMD) (DMD) / Digital Light Processing / Digital Light Processing (DLP) (DLP)

Texas Instruments 15 μm

-40-

微投影技術之應用

(11)

Optical MEMS Applications Optical MEMS Applications

Micro

Micro- -optical bench optical bench

http://www.ee.ucla.edu/labs/laser/index.html z

Projection displays

z

Fiber switches

z

Filters and dispersion compensators

z

Optical scanners

z

Adaptive Optics

z

Silicon Optical Bench

z

Sensors with optical readout

z

Interferometers

z

Spectrometers

電潤濕電潤濕 (electrowetting ( electrowetting) )現象現象

http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7284

-43-

數位流體數位流體 (Digital fluidics)與應用 (Digital fluidics) 與應用

數位流體晶片多功能生化檢測儀

http://www.itrc.narl.org.tw/Bulletin/News/nanosphere.php

-44-

電濕潤顯示器結構及驅動示意圖

(12)

-45-

Artist impression of a hybrid

Artist impression of a hybrid μ μTAS dating from the mid 90's. TAS dating from the mid 90's.

全功能微分析系統全功能微分析系統

(micro total analysis system, (micro total analysis system, μ μTAS) TAS)

-46-

組織採樣用鉗子

治療用雷射

推進系統

艙體固定臂生化感測陣列

微攝影系統

通訊天線

微機電系統在體內醫療之應用微機電系統在體內醫療之應用

人類的夢想即將成真人類的夢想即將成真

Pill explorer

(影片播放)

-47-

Shrinking Wireless Architectures Shrinking Wireless Architectures

C. T.-C. Nguyen, “Communications applications of microelectromechanical systems (invited),”

Proceed-ings, 1998 Sensors Expo, San Jose, California, May 20, 1998, pp. 447-455.

討論：MEMS元件已成為智慧型手機不可或缺的配備，手機內還有哪些MEMS元件？

-48-

Source: http://jbyoon.info/

3D RF One

3D RF One- -Chip Module Chip Module

Integration of all passive components

(13)

全世界微機電系統技術的發展趨勢全世界微機電系統技術的發展趨勢

＊因日本各公司之微電子、感測器等已具基礎及產品開發能力美國歐洲

台灣美國歐洲

台灣

微製造技術

元件批次製造組合元件批次製造組合微電子技術

微電子技術

微機電／微系統微機電／微系統

微機械／微機械人微機械／微機械人

機電技術機電技術日本日本

微結構組裝微結構組裝

微系統技術微系統技術微元件

封裝模組

微系統檢測微系統檢測

微機電系統在核能電廠管路維護之應用微機電系統在核能電廠管路維護之應用

工作母船

mother boat

■

檢查、作業組件、修補、材料搬運

■

能源、控制、通信等中繼有索作業模組

operation module with wire

■

採樣

發電動力設施

power plant

無索檢查模組

inspection module without wire

■

損傷及附著物的可視化及分析傳熱管

thermo-conduction tube

微小氣密艙

microcapsule

■

異常位置檢出

汽鍋管架

日本超微機械計畫日本超微機械計畫

-51-

迷你機器人迷你機器人

長度 9.0 mm、寬度 6.5 mm 、高度 6.5 mm

、重量 0.42 g 可移動比它重兩倍以上的東西

東京國際微型機器人大賽

http://www.micro.mse.kyutech.ac.jp/MM/new/index.html

-52-

迷你工廠微零件之迷你工廠迷你工廠

微零件之迷你工廠

作業電腦微型加工機

微型加工機

成品原料零件

供應斗

微放電加工機微小電路黏著機微綜合加工機 SMT檢查修補機微零件輸送台微小矽晶片去污機

小型機械加工廠小型IC製造廠微細多功能設備維修機

微機電系統在製造領域之應用

(14)

-53-

Source: NEXUS III, http://nexus-mems.com/

*Other are: microreaction, chip cooler, MEMS memories, liquid lenses, microspectrometer, wafer probes, micro-mirrors for optical processing, micro-pumps, micromotors, chemical analysis systems

(測斜儀)

-54-

Philips 所發表的液體鏡片與取像模組液體鏡頭構造與原理示意圖

-56-

(MEMS

(MEMS規模競賽加劇，前四大廠地位難撼動規模競賽加劇，前四大廠地位難撼動) )

注意這些外商公司，未來可以進入的外商公司！

薪水高、福利好

(法意半導體 )(飛思卡爾半導體 ) (安華高科技)

(利盟)

(ADI公司)

(15)

z 微機電產業發展聯盟 http://www.tmems.org.tw/

z 微電聲產業聯盟

http://matia.org.tw/memb/index.aspx z 微系統暨奈米科技協會

http://www.nma.org.tw/

z 台灣奈米技術產業發展協會 http://www.tanida.org.tw/

z 奈米國家型科技計畫

http://nano-taiwan.sinica.edu.tw/index.php z 奈米科技人才培育計畫

http://nano-1.colife.org.tw/zh_tw/

科學園區竹南基地

新竹科學園區新竹科學園區中壢市台中市台北市新竹縣

楊梅新竹科學園區

地點

石英感測器壓力感測器微感測器 MEMS封裝微麥克風磁性動作感測IC MEMS元件

MEMS代工 MEMS代工、RF 射頻元件

主要產品

www.subtron.com.tw/

旭德科技 3

www.tmt-mems.com/

探微科技

2 www.apmsinc.com/en/h tm/mainIndex.asp

亞太優勢微系統

(聯電集團)

1 www.xintec.com.tw/

精材科技 (台積電集團) 6

www.merry.com.tw/ht ml/c_company.htm 美律實業

5 www.prolific.com.tw/ch n/company.asp 旺玖科技

4 威華微機電(希華晶體科技轉投資) 9

www.metrodyne.com.t w/

全磊微機電 8

(已解散) 新磊微製造

7 網址公司名稱

項目

-59-

新竹科學園區

新竹科學園區桃園縣龜山科學園區竹南基地台中市新竹科學園區台中市精密機械園區台北縣五股台中加工出口區

地點

指紋辨識晶片噴墨片、微幫浦微噴孔片生醫晶片精密電鑄製程與產品動作感測加速度計線性致動器加速度感測器 MEMS封裝、微麥克風

主要產品

www.hiwinmikro.c om.tw/

大銀微系統 12

www.domintech.co m.tw/

利順精密 11

www.lingsen.com.t w/CPage/index.ht m

菱生精密 (與工研院合作) 10

www.bio- drchip.com.tw/

晶宇生物科技 15

www.liga.com.tw/

利佳精密科技 14

www.jmex.com.tw/

c_industrial.html 晶翔微系統

13 www.lightuning.co m.tw

祥群科技(宏碁併購) 18

www.microjet.com.

tw/

研能科技 17

www.microbase.co m.tw/

微邦科技 16

網址公司名稱

項目

-60-

www.kdmems.com.tw 台北市

感測器、MEMS代工坤德(大同集團)

22 台北縣鶯歌南投草屯台中縣潭子鄉高雄市

地點

MEMS封裝車用感測器 MEMS封裝 MEMS封裝

主要產品

www.usi.com.tw/defa ult.asp

環隆電氣(日月光集團) 21

www.spil.com.tw/

20 矽品精密

www.asetwn.com.tw/

日月光半導體 19

www.theil.com/

23 同欣電子

網址公司名稱

項目

(16)

-62-

2011台灣國際半導體展 2011 台灣國際半導體展- -微系統專區微系統專區( (參展廠商參展廠商) )

http://www.multitest.com/eng/

Multitest Electronic Systems (Taiwan) 7

http://www.deltad.com/

Delta Design Singapore PTE Ltd.

5 http://www.inabata.co.jp/

稲畑産業（株）

6 http://www.ultrapro.com.tw/

Applied

MicroStructures, Inc.

4 地點主要產品

http://www.apic.com.tw/

愛發股份有限公司 3

http://www.wesitechnology.co m/

微士貿易有限公司 2

http://www.sonix.com/

台灣新尼克斯有限公司 1

http://www.stk-

net.co.jp/english/index.html STK TECHNOLOGY

CO.,LTD 8

公司名稱網址項目

http://semicontaiwan.org/zh/Pavilions/MEMS

-63-

晶圓代工龍頭台積電積極將現有技術升級為特殊技術製程產能，原因就是持續看好行動裝置及智慧穿戴裝置的強勁成長動能，包括嵌入式快閃記憶體（eFlash）、CMOS影像感測器、指紋辨識元件、微機電及光感測元件等，都是台積電未來2～3年的布局重點。

-64-

微機電系統產品與應用

(17)

氣泡式噴墨印表頭氣泡式噴墨印表頭

Thermal Bubble Inkjet Head

氣泡式噴墨印表頭 Thermal Bubble Inkjet Head (Tseng et al, UCLA, 1998)

Droplet ejection

Tail cutting

Commercial Inkjet Microinjector

HP 51626A Printhead

Nozzle: 60 μm Droplet: 50 μm Frequency: 8 kHz

Nozzle: 40 μm Droplet: 45 μm Frequency: 18 kHz

-67-

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

MEMS壓力感測器 MEMS 壓力感測器

應用範圍：汽車胎壓計、血壓計、氣壓計、聲壓計

…等壓力量測領域。

-68-

懸吊系統感測器

座位姿態記憶裝置側邊氣囊加速度計 ABS車速感測器智慧型後視裝置

防止翻覆感測器

防傾斜/內側防護裝置胎壓感測器

座位偵測器前方氣囊加速度計

油量偵測器

引擎溫度感測器

紅外線夜視裝置

燃油流量感測器燃油品質感測器

距離警告雷達車燈調平裝置

衛星定位導航裝置

抬頭顯示器

微感測器在汽車工業的應用

(18)

-69-

紅外線夜視裝置

紅外線夜視裝置在汽車工業的應用在汽車工業的應用

應用範圍：軍事、執法、娛樂、監察和安全、野生動物研究…等用途。

-70-

Accelerometer Chip (ADI Inc.) Accelerometer Chip (ADI Inc.)

MEMS機械式微加速度計 MEMS 機械式微加速度計( (量測線加速度量測線加速度) )

-71-

MEMS機械式微陀螺儀 MEMS 機械式微陀螺儀( (量測角動量改變量測角動量改變) )

p++

PECVD Nitride layer

Si-substrate

RIE

Deep trenches

LPCVD Poly layer

LPCVD sacrificial oxide

EDP etch pit Sacrifical

oxide

Cr/Au

Sense pad Sense electrode Polysilicon

spring

Polysilicon

Polysilicon Ring Gyroscope Ring Gyroscope

Source: F. Ayazi et al., IEEE-MEMS′98, (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter, 3μm wide and 35μm tall

-72-

1. 姿勢輸入：取代遊戲機的開關、按鈕、滾輪、搖桿…等搖控產品。

2. 影像穩定：用於攝錄影機、數位相機…等產品(防手震)。

3. 顯示器定位：用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)。

4. 硬碟磁頭損毀保護：用於具硬碟裝置的電子產品。

5. 導航：用於GPS、電子羅盤…等產品(早期應用於導彈控制、機器人、

無人飛機等軍事用途)。

6. 生物監測：用於計步器、血壓監測器…等醫療運動產品。

7. 振動感測：用於汽車安全氣囊感測器、傾斜感測器以及防鎖死系統…

等汽車安全監控；洗衣(碗)機或烘衣(碗)機…等家用產品。

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用

MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

(19)

高階數位相機中，鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震，效果較光學式防手震為佳。

如果沒有MEMS，iPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示。

(IMM, Germany)

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

-75-

Wii獨創性遊戲軟體與輸入方式 Wii 獨創性遊戲軟體與輸入方式

-76-

MEMS 3

MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片

Wii利用加速度當作輸入方式 Wii 利用加速度當作輸入方式( (多軸動作感應技術多軸動作感應技術) )

原相科技：任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

(20)

-77-

Optical MEMS Components Optical MEMS Components

-78-

-79-

Far Field Beam Profile (1.55 Far Field Beam Profile (1.55 μm) μ m)

-80-

訊號供應者

訊號接受者

微光學透鏡

旁路開關多工傳輸器

接續器

陣列開關多光纖連接器

分光器多工傳輸解譯器

光學微機電光學微機電系統在訊號傳輸技術的應用系統在訊號傳輸技術的應用

(21)

Bell-Lab./ Lucent M. C. Wu, UCLA

Mirror

Mirror- -typed Optical Switch typed Optical Switch

16 x 16 array Switch http://www.omminc.com/home.html

Analog Device Inc., 2002

Corning, 2002 Bell-Lab./ Lucent

Mirror

Mirror- -typed 3D Optical Switch typed 3D Optical Switch

-83-

人工控制病患警示

皮膚表面

藥劑儲存處

幫浦閥流量感測器訊號處理

系統控制電池

診斷感測單元

注射孔

測距

至血管的導管 (取樣檢查)

微機電技術在藥劑注射系統之應用微機電技術在藥劑注射系統之應用

-84-

血糖檢測錶血糖檢測錶

每20 min.檢查配戴者血糖，以電子數字顯示檢測結果，數值太低或太高時發出警訊聲

USA

(22)

-85-

生醫微機電系統生醫微機電系統

Blood testing Drug delivery

Insulin pump (Debiotech, Switzerland)

-86-

微型機器人微型機器人

微型机器人搬骰子, 台灣大葉大學

一種能鑽入血管的机器人想像圖, 韓國微型蜘蛛機器人可控制敵方雷達, 歐洲

猪眼中的奈米機器人, 瑞士

-88-

微機電系統在核能電廠管路維護之應用微機電系統在核能電廠管路維護之應用

工作母船

mother boat

■

檢查、作業組件、修補、材料搬運

■

能源、控制、通信等中繼有索作業模組

operation module with wire

■

採樣

發電動力設施

power plant

無索檢查模組

inspection module without wire

■

損傷及附著物的可視化及分析傳熱管

thermo-conduction tube

微小氣密艙

microcapsule

■

異常位置檢出

汽鍋管架

日本超微機械計畫

(23)

微/ 微 /奈米機電系統在生化醫療之應用奈米機電系統在生化醫療之應用

z

細胞操作

z

細胞融合

z

微量血液分析

z

體內顯微手術系統

z

手術及診斷用可動膠囊

z

人工器官

z

可動導管

z

導管頂端壓力感測器

z

捨棄式血壓感測器

z

各式人體檢查設備

z

注射泵

z

醫療設備之氣壓校正

z

神經系統替代或重建

z

患者行動監視

z

疫苗製造

微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用微注射器

微手術刀微型鉗子

微影像偵測器

微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用奈米機電系統在

奈米機電系統在DNA DNA修補方面之應用修補方面之應用

人工耳 (助聽器) (來源：Phonak)

World market 1996 2002

Turnover ($ Millions) 1150 2000

Number of units (Millions) 4 7

Annual growth rate (%) 10

Manufacture Country

Siemens-Rextron Germany

Phonak Switzerland

Stakey USA

Oticon USA

Widex USA

-91-

Jarvick 2000 device http://www.sleh.com/current/jarvik.htm

人工心臟人工心臟

-92-

(24)

-93-

未來戰爭微機電設備將扮演重要角色

太空戰爭

新戰車

降落傘

無人飛機

機器人

超級戰士

電腦戰

水底機場敵軍位置

小而多的部隊

步步驚魂的領空

-94-

Hybrid Insect Micro Electromechanical Systems (HI

Hybrid Insect Micro Electromechanical Systems (HI- -MEMS) MEMS)

DARPA

-95-

Soldiers will carry the robots into combat and use a small tracked vehicle to transport them closer to their targets.

Flapping micro aerial vehicle Flapping micro aerial vehicle

-96-

微衛星 Nanosatellite Pathfinder

MEMS applications for Space Exploration

(25)

外部匯流排external bus

微機電系統技術介紹與市場分析 微機電系統技術介紹與市場分析

Introduction to MEMS Technology Introduction to MEMS Technology and their Available Industry & Market Analysis and their Available Industry & Market Analysis

楊 啟 榮 博士

教 授

國立台灣師範大學 機電科技學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University Tel: 02-7734-3506; 0955-052-392

E-mail: ycr@ntnu.edu.tw

綱 綱 要 要

z 微/奈米科技起源與發展

z 微機電系統發展與應用範疇

z 微機電系統產品與應用

微/ 微 / 奈米科技起源與發展 奈米科技起源與發展

微機電系統、奈米科技

There

There’ ’s plenty of room at the bottom. s plenty of room at the bottom.

(這下面空間還大得很呢！ ( 這下面空間還大得很呢！) )

1959年物理大師費曼 博士(Dr. Richard Feynman)在美國加州理工學院的演講題目

為什麼我們不能將整套24大本的《大英百科全書》，全部 內容都抄寫在一根大頭針的針尖上…….

微

微/ /奈米科技觀念的啟發 奈米科技觀念的啟發

(1965

(1965年獲得諾貝爾物理獎 年獲得諾貝爾物理獎( (量子電動力學 量子電動力學) )，被尊稱為微 ，被尊稱為微/ /奈米科技之父 奈米科技之父) )

z 中觀領域」 ：人類生活的主要棲息地包括陸地、大陸棚，既是創造文明、

發展科學技術的主要基地，也是人類研究和開發的第一大知識領域。

這一領域的開發從古代世界的歐亞文明時期開始，一直延續到今天，並向未來發展。

人類的三度智慧空間 人類的三度智慧空間

微衛星 Nanosatellite

z 「宏觀領域」 ：從20世紀中期開始向太空進軍的行動，是人類開闢新文 明的第二大知識戰場，也是人類走向其他星球的第一步。

地球與火星Earth & Mars 人類涉足太空領域是世界知識經濟的開始。世界經濟的內涵擴大，形成資訊化、

智慧化結合的經濟；它的空間擴大，將把宇宙工業化與海洋工業化包括進來;它的 範圍擴大，使一部分農牧產品將實行工業化大量生產方式。

精神號、機會號→好奇號

z 「微觀領域」 ：指應用微/奈米科技，從物質的分子和原子著手，是物質本 質上的改造、性能上的變更、分子和原子結構的重組。

涉及所有人類研究和開發的領域，不同於前兩個領域，也不是簡單的物質合成。

21世紀是人類踏入第三大智慧領域的世紀，是人類開始展開微觀文明的歷史階段。

微米級直升機 ( IMM, Germany) 奈米級直升機 ( Cornell, USA)

改變世界的三次工業革命 改變世界的三次工業革命

z 第一次工業革命(機械化革命)：蒸汽機的發明 – 以機器替代人力…(18世紀中葉)

z 第二次工業革命(電氣化革命) ：電力時代 – 內燃機與發電機取代蒸汽機… (19世紀末期)

z 第三次工業革命(資訊化革命) ：電腦網路時代

– 電子計算機的發明… (20世紀中期)

z 第四次工業革命：奈米科技的應用

– 不只對電子、資訊工業造成重大衝擊，也對化學、材料、生物和醫學 技術做出同樣的貢獻…

諾貝爾獎得主羅雷爾說：

「1970年代重視微米的國 家如今都成為發達國家，

現在重視奈米科技的國家 很可能成為21世紀先進的 國家。」

商業週刊, 780期, 2002

The next big thing is

very, very, very small .

(下一件大事是非常非常小 ( 下一件大事是非常非常小!) !)

物質尺度描述 物質尺度描述

m 1

10

10

10

m μm mm

nm

奈米科技 IC 原子/

分子

微機電領域

10 公分 1 公分 1 毫米 100 微米 10 微米

1 微米 100 奈米 10 奈米 1 奈米

白血球 手

DNA

物質尺度描述 物質尺度描述 ( (續 續) )

不 會 吧

這 麼 小 的 電 腦

， 連 螞 蟻 都 得 動 用 顯 微 鏡 了

！ 奈米碳管黏著於掃描探針

奈米碳管黏著於掃描探針 Nanotube glued to SPM tip Nanotube glued to SPM tip

微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑 微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑…… ……

nanotube

奈米碳管原子力顯微術

奈米碳管原子力顯微術(AFM) (AFM)探針 探針

H. Dai et al., Nature 384, 147, 1996.

探針陣列於奈米硬碟之應用 探針陣列於奈米硬碟之應用

探針陣列可做平行式掃描，大幅提昇掃描速度，並可應用於大面積加工。

http://www.almaden.ibm.com

http://www.almaden.ibm.com

探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片 探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片

微機電系統技術介紹與市場分析微機電系統技術介紹與市場分析

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電科技學系

綱綱要要

微/ 微 / 奈米科技起源與發展奈米科技起源與發展

1959年物理大師費曼博士(Dr. Richard Feynman)在美國加州理工學院的演講題目

為什麼我們不能將整套24大本的《大英百科全書》，全部內容都抄寫在一根大頭針的針尖上…….

微/ /奈米科技觀念的啟發奈米科技觀念的啟發

(1965年獲得諾貝爾物理獎年獲得諾貝爾物理獎( (量子電動力學量子電動力學) )，被尊稱為微，被尊稱為微/ /奈米科技之父奈米科技之父) )

z 中觀領域」：人類生活的主要棲息地包括陸地、大陸棚，既是創造文明、

人類的三度智慧空間人類的三度智慧空間

z 「宏觀領域」：從20世紀中期開始向太空進軍的行動，是人類開闢新文明的第二大知識戰場，也是人類走向其他星球的第一步。

智慧化結合的經濟；它的空間擴大，將把宇宙工業化與海洋工業化包括進來;它的範圍擴大，使一部分農牧產品將實行工業化大量生產方式。

z 「微觀領域」：指應用微/奈米科技，從物質的分子和原子著手，是物質本質上的改造、性能上的變更、分子和原子結構的重組。

改變世界的三次工業革命改變世界的三次工業革命

– 不只對電子、資訊工業造成重大衝擊，也對化學、材料、生物和醫學技術做出同樣的貢獻…

「1970年代重視微米的國家如今都成為發達國家，

現在重視奈米科技的國家很可能成為21世紀先進的國家。」

The next big ^{thing is}

very, very, very small ^.

物質尺度描述物質尺度描述

白血球手

物質尺度描述物質尺度描述 ( (續續) )

不會吧

這麼小的電腦

，連螞蟻都得動用顯微鏡了

！奈米碳管黏著於掃描探針

微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑…… ……

奈米碳管原子力顯微術(AFM) (AFM)探針探針

探針陣列於奈米硬碟之應用探針陣列於奈米硬碟之應用

探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片

人人體內的流體循環系統體內的流體循環系統

小腸絨毛小腸絨毛三種血管示意圖

細胞膜細胞膜

微/ 微 /奈機電系統精度定義奈機電系統精度定義

微機電系統產品的優點微機電系統產品的優點

微機電系統的定義微機電系統的定義

批次製造之微型元件組合

積體化感測器微電子電路

微機械系統微機電系統

•紫外線光刻術微機械加工

微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖

整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件